JP6962666B1 - 発電素子及び発電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁歪材料を用いた逆磁歪式の発電素子の発電時間を、簡単至便な方法により伸長し、有用性を高めた発電素子ならびにアクチュエータを提供する。【解決手段】 磁歪材料による逆磁歪効果を利用する発電素子及びアクチュエータを構成するフレーム群の少なくともひとつに、２つ以上の屈折点を設けることで、複数の共振周波数、複数の共振点を作り出し、磁歪材料の伸長振幅に効果的な振動状態を作り出して、逆磁歪効果による高い電圧と発電時間の伸長を実現する。【選択図】図１

Description

本発明は、運動エネルギー発電や振動発電用の発電素子及びアクチュエータに関する。

近年、自然界の振動を利用した発電方法が注目され、振動発電として、様々な方法が紹介されている。その中でも、磁歪材料を使用し、逆磁歪効果によって発電するものは、高効率で高電力が得られる技術として注目されている。

逆磁歪効果を利用する発電素子は、発電部と、フレームと、磁石から概略構成される。
発電部は、磁性材料からなるフレームヨーク上に配置された磁歪材料からなる磁歪板（棒状でも良い）と、フレームヨークと磁歪板に巻かれるコイルと、で構成され、磁性材料からなるフレームは、磁石を備えて、磁気回路を構成する。

フレーム、あるいはフレームヨークに外部振動や外力を付加することで、フレームヨークが振動し、それに連結する磁歪板が圧縮あるいは伸長して、逆磁歪効果が生じ、コイルに電流が流れて、発電部で発電する仕組みになっている。

なお、フレームは、構成上そのままフレームヨークとなる場合もある。 本発明では、磁性材料からなるフレームは、フレームヨークの機能を有するものとし、その呼称をフレームとする。

外力の受容には、大まかに２種あり、外部振動によって素子全体を揺らすことで逆磁歪効果を得るタイプ（振動発電）と、再生可能エネルギーなどから得られる運動エネルギーを回転運動や上下運動に変換してフレームや発電部に弾きカム等の機構によって素子に変形を与え、その除荷によって発生する振動を利用して逆磁歪効果を得るタイプ（運動エネルギー発電）である。

逆磁歪効果をもつ、磁歪材料、例えば鉄ガリューム合金（Fe-Ga）は、理論的には高電力
を取り出すポテンシャルのある素材である。この素材を、効果的に発電素子に利用すれば、センサーや通信機器を動作しうる小型で安価な独立電源を構成できる。

近年、大規模災害が問題となっている。こうした災害の予知や、発生状況をセンシングして自動的に情報を送信するような通信システムが求められている。

前記通信システムで重要なことは、簡単至便に設置でき、かつ設置後フリーメンテナンスであることにある。場所的な制約のある有線による電力供給や、定期的な交換を要する電池使用のものは不向きである。一度設置したら、人の手のかからない独立電源が前記通信システムに求められている。

また、そうした通信システムでは、必要電力と通信パフォーマンスは正比例する。なるべく大きな電力を得ることが重要となる。そうした背景から大きな発電力を発揮し得る磁歪材料による逆磁歪効果を利用する発電素子及びアクチュエータ、ならびにそれを備えた発電装置が求められている。

特願２０１９―１０４０６４ 特願２０１９―１８５５５５ 特願２０１８―８７９３５

磁歪材料は、逆磁歪効果によって、高い電圧を出すことが知られているが、同時に、電力使用量が大きくなるにつれて、振動減衰も大きくなるという特性がある。大きな振動や外力を受けて、高い電圧が発生しても、つながる電子回路の負荷によって、振動減衰が大きくなり、発電時間が短くなるという特徴がある。これは、連続的に外力を受けるような状況では問題がないが、単発的に外力や振動を受け、その時の発生電力で通信やセンサーによる測定を行うというIoT（internet of things)用の通信機器では、電力量が制限されることになり、パフォーマンスが限定されてしまう。

磁歪材料の振動時間は、磁歪材料とコイルとが配置されるフレームの長さの振動周波数並びに共振周波数に依存し、磁歪材料は与えられる振動の周波数が高いほど逆磁歪効果を発揮するということが知られている。

先行する特許文献１の特願２０１９―１０４０６４は、外力を効果的に受ける構造としては有効である。しかし、この発明の場合、フレームを長くすれば振動時間は増えるが、磁歪材料への振動周波数は低くなって発電効果が弱くなる。さらに、振動時間を長くするために発電部が配置されるフレームの振幅を大きくするとフレームが磁石に当たってしまい、振動が阻害されるという問題も生じる。その対策として磁石とフレームの距離を大きく取れば、磁場が弱くなるというジレンマもある。

特許文献２の特願２０１９―１８５５５５は、発電部のフレームの両端を自由端とすることで外力に対して発生する振動周波数を高くして、発電力を高めることに効果的ではあるが、フレームの実効長は短くなり、発電時間は、短くなる。

特許文献３の特願２０１８―８７９３５は、フレームをU字状に湾曲させ、外力による振動時間を長くできる構造であるが、バネ性のある金属材料をU字に湾曲させるという加工上の問題があり、大量生産に向かない上に、加工硬化した湾曲部には、バネ性を期待できない等の量産上の問題がある。

すなわち本発明は、上記事情にかんがみてなされたもので、簡単至便な方法を以って、外力から高い振動周波数と低い振動周波数を得ることで、磁歪材料の振動減衰をおさえて発電時間を伸長し、効果的に発電し得る、大量生産にも適した構造の、発電素子あるいはアクチュエータを提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、以下の構成を具備している。

発明１は、磁歪材料、コイル、フレーム、磁石と、を少なくとも備える磁歪材料の逆磁歪効果を利用する発電素子及びアクチュエータにおいて、該フレームは、少なくとも第１のフレームと、第２のフレームにより構成され、該第１のフレームと該第２のフレームのすくなくともいずれか一方のフレームに、２つ以上の屈折部を設け、該第1のフレームの両端は自由端であり、該第１のフレームの一方の自由端と該第２のフレームの一方の端部は結合されて自由端であり、該第２のフレームのもう一方の端部は固定端であることを特徴とする発電素子並びに発電アクチュエータである。

発明２は、前記フレームの屈折部は、Z曲げであることを特徴とする発明１に記載の発電素子及び発電アクチュエータである。

発明３は、前記第１のフレームの端部に外力を加えることを特徴とする発明１および発明２に記載の発電素子及び発電アクチュエータである。

発明４は、前記第２のフレームの固定端に、外部の振動を加えることを特徴とする発明１および発明２に記載の発電素子及び発電アクチュエータである。

発明５は、前記第２のフレームの固定端は、バネ構造物に固定されることを特徴とする発明１乃至発明４に記載の発電素子及び発電アクチュエータである。

本発明によれば、磁性材料からなるバネ性を持ったフレームに、２つ以上の屈折部を設けることで、外力による、高い高周波振動の発生とともに、低い長時間の低周波の振動を発生させ、それに伴う高周波の共鳴振動を導くことにより、長時間の逆磁歪効果による発電が可能になる。

さらに、本発明による発電素子及びアクチュエータの共振周波数は複数であり、その各々の振動周波数を倍数関係に設定することで、磁歪材料への変形圧力が高まり、逆磁歪効果による発電力と発電時間をさらに大きくすることができる。
本効果は、従来の片梁構造の発電素子やアクチュエータでは成し得ないことは論を待たない。

さらに、発電部のフレームと磁気回路を構成するフレームとを別々に製造し、のちに組み立てられる構造であり、量産性においても、従来構造に対して優れた効果を発揮する。

発明実施の第1の形態 Z曲げを施したフレームにコイルと磁歪素子を配置し発電部としたタイプの斜視図。 発明実施の第2の形態 磁石を配置した磁気回路構成用のフレ−ムにZ曲げを施したタイプの斜視図。

本発明の実施形態は、磁歪材料、コイル、フレーム、磁石と、で概略構成される。

本発明の第１の実施形態を、図１をもって説明する。
磁性材料からなる第1フレーム２３には、磁歪材料からなる磁歪板２１が第１フレーム２３の一方の自由端A３１の近傍に配置され、接着剤等によって第１フレーム２３に接着されている。

磁歪板２１は、板状でも、棒状のものでも使いうる。

磁歪板２１の第１フレーム２３への接着は、接着剤の他、ねじによる固定、カシメによる固定、溶接等、公知のすべての方法が使いうる。

その第１フレーム２３と磁歪板２１を内包するようにコイル２２が、磁歪板２１の中央付近に配置されている。

コイル２２は、ボビンに絶縁処理された銅線が巻かれたものを図示しているが、ボビンを使わず、直接第１フレーム２３と磁歪板２１を絶縁処理した銅線で巻くことも可能である。コイル２２の材料構造には、公知のすべての技術が使いうる。

コイル２２は、磁歪板２１のいずれの位置にも配置しうるが、好適には磁歪板２１の中央に置かれ、自由端A３１からコイル２２の自由端A３１側の端部までに空所を設けて、外部からの外力を受ける外力受容部３４を構成し得る位置が望ましい。

磁歪板２１とコイル２２と第１フレーム２３で、発電部２０が構成される。

再生可能エネルギーなどから得られる運動エネルギーを回転運動や上下運動に変換してフレームや発電部に、弾きカム等の機構によって素子に変形を与え、その除荷によって発生する振動を利用して逆磁歪効果を得るタイプ（運動エネルギー発電）の場合、その運動エネルギーを受ける部分は、外力受容部３４である。
なお、外力受容部３４ではなく、自由端B３２側の端部を外力を受ける受容部とすることも排除するものではない。

外力受容部３４には、外力を受ける際の摩耗を防ぐ防護膜等を施してもよい。

第１フレーム２３は、フレームヨークとも呼ばれ、磁性材料であり、好適にはバネ性を有する材料を用いるのが望ましい。炭 素 鋼 （ SS400、 SC、 SK材 ） 、 フ ェ ラ イ ト 系 ス テ ン レ ス （ SUS430）などが利用できる。

第１フレーム２３は、磁歪板２１に対して、幅や厚みが同等なものが使用されることが望ましいが、必ずしも限定されるものではない。
また、長さは、磁歪板２１の長さの倍数関係にあり、共振しやすい長さが望ましい。

第１フレーム２３の中央付近には、第１屈折部２４が設けられ、さらにその先には第２屈折部２５が設けられて、第１フレーム２３と第２フレーム２６の間に隙間が形成されている。第１フレーム２３は、いわゆるZ曲げ加工が施されている。

本発明の実施形態の第1フレーム２３に設ける屈折部は２か所であるが、さらに多くの屈折部を設けることを排除しない。
また、屈折部は、鋭角に曲げてもよいし、波のようにRを付けて曲げてもよい。

第１フレーム２３にも、図示しないが、屈折部を設けることを排除しない。

第１屈折部２４も第２屈折部２５も第１フレーム２３の振動の節の近傍に設けられるのが望ましい。

第２屈折部２５の先の端部は、第２フレーム２６の端部と、固定ネジA２８によって固定され、自由端B３２を構成する。

第１フレーム２３の端部と第２フレーム２６の端部の固定は、量産性を考慮するとネジによって固定されるのが望ましいが、接着剤や溶接、あるいはそれらを併用して接合してもよい。

また、第１フレーム２３の端部と第２フレーム２６の端部の間にスペーサを入れて固定することも排除しない。

なお、第２屈折部２５から固定ネジA２８までの第１フレーム２３の下面と、第２フレーム２６の上面とは接触面であり、固定や接着はされないものとする。

第２フレーム２６は、磁性材料からなるバネ性を持つ材料を使用する。第１フレーム２３と同一の材料で構成されるのが良いが、他の材質を排除するものではない。

第２フレーム２６の幅や厚みや長さを、第１フレーム２３と異なる形状にして、ばねの反発力や素子全体の共振状態を調整することも可能である。

第２フレーム２６は、一方の端部(自由端B３２)が固定ネジA２８によって第１フレーム２３の端部と固定され、その反対側の端部（固定端３３）近傍に、第１フレーム２３と第２フレーム２６の間に挟まれるように磁石２７を配置し、その端部が固定ネジB２９で発電素子固定部３０に固定されている。

磁石２７は、第２フレーム２６の固定端３３近傍に配置されるとともに、第１フレーム２３のコイル２２の配置位置の下にならないよう外力受容部３４の下付近に配置されるのが望ましい。

磁石２７は、永久磁石や電磁石等、公知の磁石がすべて使いうるが、好適には磁力の強いネオジウム磁石がよい。

第２フレーム２６の下面は、発電素子固定部３０との接触位置まで、自由に運動できるのが望ましい。しかし、何らかの支持部を途中に設けることを排除しない。

第２フレーム２６の固定端３３は固定ねじB２９によって発電素子固定部３０に固定される。なお、この固定も、ねじ止めに限定されるものではなく、公知の方法がすべて使いうる。

発電素子固定部３０と第２フレーム２６の固定端３３の間に、バネ構造物を追加することも可能である。バネ構造物は、板バネによって構成されたり、スプリングで構成されたり、バネ変形と除荷による振動を発生するものであれば、すべての公知の方法を使いうる。

発電素子の利用法が、外部振動によって素子全体を揺らすことで逆磁歪効果を得るタイプ（振動発電）であるなら、この発電素子固定部３０は振動受容部となり、外部振動を第１フレーム２３および第２フレーム２６に伝達する役割を担う。

振動発電の場合、第１フレーム２３の外力受容部３４に重りを付け、全体の振動周波数を調整して発電力を増す工夫が使いうる。

本実施形態では、すなわち
第１フレーム２３の端部は自由端A３１と自由端B３２となり、両端が自由端である。
第２フレーム２６の第１フレーム２３と固定ネジA２８で固定される端部は、自由端（自由端B３２）である。発電素子固定部３０に固定ネジB２９によって固定される端部(固定端３３)は固定端である。

本発明の第２の実施形態を、図２をもって説明する。
磁性材料からなる第1フレーム５３には、磁歪材料からなる磁歪板５１が第１フレーム５３の一方の自由端A６１の近傍に配置され、接着剤等によって第１フレーム５３に接着されている。

磁歪板５１は、板状でも、棒状のものでも使いうる。

磁歪板５１の第１フレーム５３への接着は、接着剤の他、ねじによる固定、カシメによる固定、溶接等、公知のすべての方法が使いうる。

その第１フレーム５３と磁歪板５１を内包するようにコイル５２が、磁歪板５１の中央付近に配置されている。

コイル５２は、ボビンに絶縁処理された銅線が巻かれたものを図示しているが、ボビンを使わず、直接第１フレーム５３と磁歪板５１を絶縁処理した銅線で巻くことも可能である。コイル５２の材料構造には、公知のすべての技術が使いうる。

コイル５２は、磁歪板５１のいずれの位置にも配置しうるが、好適には磁歪板５１の中央に置かれ、自由端A６１からコイル５２の自由端A６１側の端部までに空所を設けて、外部からの外力を受ける外力受容部６４を構成し得る位置が望ましい。

磁歪板５１とコイル５２と第１フレーム５３で、発電部５０が構成される。

再生可能エネルギーなどから得られる運動エネルギーを回転運動や上下運動に変換してフレームや発電部に、弾きカム等の機構によって素子に変形を与え、その除荷によって発生する振動を利用して逆磁歪効果を得るタイプ（運動エネルギー発電）の場合、その運動エネルギーを受ける部分は、外力受容部６４である。
なお、外力受容部６４ではなく、自由端B５８側の端部を外力を受ける受容部とすることも排除するものではない。

外力受容部６４には、外力を受ける際の摩耗を防ぐ防護膜等を施してもよい。

第１フレーム５３は、フレームヨークとも呼ばれ、磁性材料であり、好適にはバネ性を有する材料を用いるのが望ましい。炭 素 鋼 （ SS400、 SC、 SK材 ） 、 フ ェ ラ イ ト 系 ス テ ン レ ス （ SUS430）などが利用できる。

第１フレーム５３は、磁歪板５１に対して、幅や厚みが同等なものが使用されることが望ましいが、必ずしも限定されるものではない。
また、長さは、磁歪板５１の長さの倍数関係にあり、共振しやすい長さが望ましい。

第２フレーム５６の中央付近には、第１屈折部５４が設けられ、さらにその先、自由端B６２の方向には、第２屈折部５５が設けられ、第１フレーム５３と第２フレーム５６の間に隙間が形成されている。第２フレーム５６は、いわゆるZ曲げ加工が施されている。

第２屈折部５５は、第１フレーム５３の振動の節付近で、磁歪板５１の自由端B６２の方向の端部である磁歪板端部６５の位置の下付近に設けるのが望ましい。

本発明の実施形態の第２フレーム５６に設ける屈折部は２か所であるが、さらに多くの屈折部を設けることを排除しない。
また、屈折部は、鋭角に曲げてもよいし、波のようにRを付けて曲げてもよい。

第１フレーム５３にも、図示しないが、屈折部を設けることを排除しない。

第１屈折部５４も第２屈折部５５も第２フレーム５６の振動の節の近傍に設けられるのが望ましい。

第２屈折部５５の自由端B６２の方向の端部は、第１フレーム５３の自由端B６２の方向の端部と、固定ネジA５８によって固定され、自由端B６２を構成する。

第１フレーム５３の端部と第２フレーム５６の端部の固定は、量産性を考慮するとネジによって固定されるのが望ましいが、接着剤や溶接、あるいはそれらを併用して接合してもよい。

また、第１フレーム５３の端部と第２フレーム５６の端部の間にスペーサを入れて固定することも排除しない。

なお、第２屈折部５５から固定ネジA５８までの第１フレーム５３の下面と、第２フレーム５６の上面とは接触面であり、固定や接着はされないものとする。

第２フレーム５６は、磁性材料からなるバネ性を持つ材料を使用する。第１フレーム５３と同一の材料で構成されるのが良いが、他の材質を排除するものではない。

第２フレーム５６の幅や厚みや長さを、第１フレーム５３と異なる形状にして、ばねの反発力や素子全体の共振状態を調整することも可能である。

第２フレーム５６は、一方の端部(自由端B６２)が固定ネジA５８によって第１フレーム５３の端部と固定され、その反対側の端部（固定端６３）側に、第１フレーム５３と第２フレーム５６の間に挟まれるように磁石５７を配置し、その端部が固定ネジB５９で発電素子固定部６０に固定されている。

磁石５７は、第２フレーム５６の固定端６３側に配置され、第１フレーム５３のコイル５２の配置位置の下にならないよう外力受容部６４の下付近に配置されるのが望ましい。

磁石５７は、永久磁石や電磁石等、公知の磁石がすべて使いうるが、好適には磁力の強いネオジウム磁石がよい。

第２フレーム５６の下面は、発電素子固定部６０との接触位置まで、自由に運動できるのが望ましい。しかし、何らかの支持部を途中に設けることを排除しない。

第２フレーム５６の固定端６３は固定ねじB５９によって発電素子固定部６０に固定される。なお、この固定も、ねじ止めに限定されるものではなく、公知の方法がすべて使いうる。

発電素子固定部６０と第２フレーム５６の固定端６３の間に、図示しないが、バネ構造物を追加することも可能である。バネ構造物は、板バネによって構成されたり、スプリングで構成されたり、バネ変形と除荷による振動を発生するものであればすべての公知の方法を使いうる。

発電素子の利用法が、外部振動によって素子全体を揺らすことで逆磁歪効果を得るタイプ（振動発電）であるなら、この発電素子固定部６０は振動受容部となり、外部振動を第１フレーム５３および第２フレーム５６に伝達する役割を担う。

振動発電の場合、第１フレーム５３の外力受容部６４に重りを付け、全体の振動周波数を調整して発電力を増す工夫が使いうる。

本実施形態では、すなわち
第１フレーム５３の端部は自由端A６１と自由端B６２となり、両端が自由端である。
第２フレーム５６の第１フレーム５３と固定ネジA５８で固定される端部は、自由端（自由端B６２）である。発電素子固定部６０に固定ネジB５９によって固定される端部(固定端６３)は固定端である。

本発明の発電素子やアクチュエータを使用した発電装置は、屋外用の独立電源として、通信システムのパフォーマンスの向上に寄与し、かつフリーメンテナンスで長期の使用に耐える有用性の高い通信システムの構築を可能にする。
また、単純な構造と一般的な加工技術で生産でき、大量生産による低価格化を可能にする。そのことにより、特殊用途だけでなく、民生用製品として、広く利用される可能性を持っている。

２０…発電部、２１…磁歪板、２２…コイル、２３…第1フレーム、２４…第1屈折部、２５…第2屈折部、２６…第2フレーム、２７…磁石、２８…固定ネジA、２９…固定ネジB、３０…発電素子固定部、３１…自由端A、３２…自由端B、３３…固定端、３４…外力受容部
５０…発電部、５１…磁歪板、５２…コイル、５３…第1フレーム、５４…第1屈折部、５５…第2屈折部、５６…第2フレーム、５７…磁石、５８…固定ネジA、５９…固定ネジB、６０…発電素子固定部、６１…自由端A、６２…自由端B、６３…固定端、６４…外力受容部、６５…磁歪板端部

Claims (9)

1. 磁歪材料、コイル、弾性体であり磁性材料からなるフレーム、磁石と、を少なくとも備える前記磁歪材料の逆磁歪効果を利用する発電素子において、該フレームは、少なくとも板状の第１のフレームと、板状の第２のフレームにより構成され、前記第１のフレームの一方の端部は自由端で、所定長さに亘って固定された前記磁歪材料と、前記磁歪材料と前記第１のフレームを内包するように前記コイルが配置され、前記第１のフレームの他方の端部の下面は、前記第２のフレームの一方の端部の上面と接合し自由端であり、前記第２のフレームの他方の端部は前記磁石を配置した固定端であり、前記第１のフレームと前記第２のフレームのすくなくともいずれか一方に、少なくとも２つ以上の屈折部を振動の節の近傍に設け、前記第１のフレームと前記第２のフレームの間には所定の隙間が形成され、当該隙間に前記磁石が配置され磁気回路を為したことを特徴とする発電素子。
2. 前記２つ以上の屈折部を前記第１のフレームと前記第２のフレームのすくなくともいずれか一方に設けることで、複数の共振周波数、複数の共振点を作り出したことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
3. 前記第１のフレームの他方の端部の下面と、前記第２のフレームの一方の端部の上面との接合を、ネジ固定としたことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
4. 前記第１のフレームの他方の端部の下面と、前記第２のフレームの一方の端部の上面との接合を、接着剤や溶接によるものとしたことを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
5. 前記第１のフレームの一方の端部に外力を加え、前記外力は、風力、水力、波力、潮力の群から選択された再生可能エネルギーの運動エネルギーを回転運動や上下運動に変換したものであることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
6. 外部振動によって素子全体が揺らされることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
7. 前記第１のフレームの一方の端部の自由端は、振動周波数を調整するための重りを具備することを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
8. 請求項１に記載の発電素子を具備することを特徴とする発電装置。
9. 請求項８に記載の前記発電装置を電源として具備することを特徴とする通信システム。
   

Images